JP7131701B2 - ラジアントチューブバーナ、ラジアントチューブ、及びラジアントチューブバーナの設計方法 - Google Patents
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Description
ここで、ラジアントチューブは、チューブ内で発生した燃焼ガスがチューブ内を通過して排出されるが、燃焼ガスの温度が上昇すると、有害な窒素酸化物(以下、NOxという。)の生成量が増加するという課題がある。このため、NOx排出量を抑えるために排熱回収量が制限される場合がある。
特許文献1には、ファンを用いて、排ガスを燃料ガスもしくは2次燃焼用空気に混入することで燃焼速度を低下させて、NOxの発生を低減させる技術が開示されている。また、特許文献2には、発生したNOxを触媒により浄化することが開示されている。
また、特許文献2では、副生ガスを使用している鉄鋼業で顕著である、触媒の被毒による劣化が課題となる。また、特許文献2の構成では、触媒を設ける分、ラジアントチューブが大型化するという課題もある。
ここで、図面は模式的なものであり、各部品の大きさや長さの比率等は現実のものとは異なる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状及び構造等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることが出来る。
ここで、本明細書では、楕円には、真円が含まれず、楕円の短径とは最も短い直径を、長径とは短径に直交する方向の直径を指すものとする。また、短軸とは、短径方向に延在する軸であり、長軸とは、長径方向に延在する軸である。
本実施形態のラジアントチューブ100は、図1に示すように、燃焼ガスが流れるチューブ1と、チューブ1内で燃焼ガスを発生するラジアントチューブバーナ2と、を備える。ラジアントチューブ100は、伝熱促進体4や、レキュペレータや蓄熱バーナなどの各種排熱回収装置5、その他の公知の部品を備えていても良いし、備えていなくても構わない。
本実施形態のチューブ1は、図1に示すように、側面視略W状のつづら折り形状となっており、上下に並ぶ4つの直管部1A~1Dを有し、隣り合う直管部1A~1Dの端部同士が円弧形状に延びる曲管部1E~1Gによって連結されて構成される。符号6は隣り合う直管部間が狭くなることを防止するセパレータ部材である。符号7は、張出部3Aに支持されて、チューブの下方への変位を抑えるサポート部材である。
また、最上流位置の直管部1Aの入口側と最下流位置の直管部1Dの出口側とが炉壁3に固定されることで、チューブ1は炉壁3に支持されている。
すなわちチューブ1は、上記の楕円の短径と直交する長径の軸である長軸Yが上下方向を向くように設定されている。楕円の長軸Yが上下方向を向けてチューブ1を配置することで、チューブ1の開口断面形状が真円形状の場合に比べてチューブ1の剛性が向上し、自重や熱負荷によって、チューブ1を構成する直管部1A~1Dの下方への変位が抑制可能となっている。
ここで、本実施形態では、チューブ1の前方及び後方を被加熱体(不図示)が上下に移動することで、ラジアントチューブ100からの輻射熱で当該被加熱体が加熱される構成となっている。図2中、符号50は被加熱体の移動方向の例を示す。
ラジアントチューブバーナ2は、図1に示すように、ガス噴射部2Aが、最上流位置の直管部1A内において、直管部1Aの上流側端部からに直管部1Aと同軸になるようにして挿入されている。ガス噴射部2Aは、燃焼用空気及び燃料ガスを噴射するノズルが形成されたヘッダ部である。
本実施形態のガス噴射部2Aは、図3に示すように、躯体の外形が円柱形状となっており、円柱形状の中心P軸と、チューブ1の中心P軸とが同軸となるように配置されている。
ここで、2次燃焼用空気ノズル21は、2次燃焼用空気を噴射するノズルである。1次燃焼用空気ノズル22は、1次燃焼用空気を噴射するノズルである。燃料ガスノズル23は、燃料ガスを噴射するノズルである。
また、ガス噴射面には、2次燃焼用空気ノズル21の外径方向外方位置で、当該2次燃焼用空気ノズル21の外周を囲むようにして、複数の1次燃焼用空気ノズル22と複数の燃料ガスノズル23とが配置されている。そして、ガス噴射面に、複数の1次燃焼用空気ノズル22と複数の燃料ガスノズル23との先端部開口を形成する穴が開口している。
なお、符号24はバックプレートであって、該バックプレート24の形状は、チューブ1の楕円形状と相似の楕円形状となっている。
空気比1.0以下で1次燃焼するように、全ての1次燃焼用空気ノズル22から噴射される、1次燃焼用空気の空気総量mxの流量を設定する。
また、本実施形態では、図5に示すように、最上流位置の直管部の開口断面形状である楕円の短径の軸である短軸Xを楕円の中心Pを中心として±45度それぞれ周方向に傾けた2本の直線X1、X2を境界として、最上流位置の直管部の開口断面を、仮想的に4つの領域ARA-1~ARA-4に区画する。
すなわち、本実施形態では、下記(1)式を満足するように、1次燃焼用空気の流量配分について設計する。
La2/(La2 +Lb2) ≦ (mt/mx) < 0.5 ・・・(1)
ここで、本実施形態では、短軸X側の1次燃焼用空気ノズル22A、22Bからの1次燃焼用空気の流量mtを、長軸Y側の1次燃焼用空気ノズル22C、22Dからの1次燃焼用空気の流量よりも小さくする構成として、楕円の短軸Xを含む領域ARA-1、ARA-2に位置する1次燃焼用空気ノズル22の全開口断面積を、楕円の長軸Yを含む領域ARA-3、ARA-4に位置する次燃焼用空気ノズルの全開口断面積よりも小さく設定し、その2つの全開口面積の比が、(1)式を満足する流量比となるように調節する。
また、楕円の中心Pに対し点対称の領域ARA-1~ARA-4(上下の領域、左右の領域)からの1次燃焼用空気の流量は、それぞれ同量であることが好ましい。すなわち、上方の領域ARA-4から供給される1次燃焼用空気の流量と下方の領域ARA-3から供給される1次燃焼用空気の流量とを同量とする。また、左側の領域ARA-1から供給される1次燃焼用空気の流量と右側の領域ARA-2から供給される1次燃焼用空気の流量とを同量とする。
ここで、図5では、各4つの領域ARA-1~ARA-4にそれぞれ、1個の1次燃焼用空気ノズル22が配置される場合を例示しているが、これに限定されない。例えば、各領域ARA-1~ARA-4にそれぞれ2個以上の1次燃焼用空気ノズル22を配置しても良い。
また、図5では、楕円形の長軸Y上又は短軸X上に各1次燃焼用空気ノズル22を配置する場合が例示されているが、これに限定されない。例えば、各1次燃焼用空気ノズル22が長軸Y上又は短軸X上に重なるように配置されていなくて良い。
また、楕円の中心Pから各1次燃焼用空気ノズル22までの距離は、短軸X側の1次燃焼用空気ノズル22A、22Bと長軸Y側の1次燃焼用空気ノズル22C、22Dとで異なる距離に設定しても良い。
本実施形態のラジアントチューブ100では、ラジアントチューブバーナ2から、チューブ1を構成する最上流位置の直管部1Aの軸と平行な方向に、各ノズルから燃焼用空気や燃料ガスが噴射(吐出)されて供給される。
本実施形態は、燃料ガスノズル23から噴射した燃料ガスは、1次燃焼用空気ノズル22から噴射した1次燃焼用空気と混合して不完全燃焼し、続いて不完全燃焼した燃焼ガスを2次燃焼用空気ノズル21から吐出される2次燃焼用空気によって完全燃焼させることで、NOxを低下させる2段燃焼方式となっている。なお、発生した燃焼ガスは、チューブ1に沿って流れる。
ここで、チューブ1の開口断面形状を楕円(短径La:188mm、長径Lb:236mm)として、流量比(mt/mx)とNOxとの関係について、有限体積法を用いたNOx生成予測シミュレーションによって解析した。その結果を図6に示す。
図6から分かるように、相対的に、長軸Y側の1次燃焼用空気ノズル22C、22Dからの1次燃焼用空気の流量に対し、短軸X側の1次燃焼用空気ノズル22A、22Bからの1次燃焼用空気の流量mtを少なくするほど、NOxが減少することが分かった。
この理由は、隣り合う領域ARA-1~ARA-4からの1次燃焼用空気の吐出量が異なることで、各々の領域ARA-1~ARA-4毎に、吹き込まれる空気比が調整され適切なN2濃度分布となることで、NOxの生成を抑制するに繋がると推定される。
図7は、1次燃焼用空気ノズル22及び燃料ガスノズル23から、すなわち噴出面から、噴射方向へ2000mm離れた地点での流れ方向に垂直な断面の楕円における、短軸X上の平均温度を求めたものである。
図7から分かるように、流量比(mx/mt)を、0.5よりも小さくするほど、短軸X側での平均ガス温度が低下している。
このような結果から、低NOx効果を発現しつつ伝熱効率の低下を防止するためには、流量比(mx/mt)をLa2/(La2 +Lb2)以上とすることが好ましく、更に好ましは、流量比(mx/mt)はLa/(La +Lb)以上である。
1A 最上流位置の直管部
2 ラジアントチューブバーナ
2A ガス噴射部
3 炉壁
21 2次燃焼用空気ノズル
22 1次燃焼用空気ノズル
22A、22B 短軸側の1次燃焼用空気ノズル
22C、22D 長軸側の1次燃焼用空気ノズル
23 燃料ガスノズル
ARA-1~ARA-4 領域
La 短径
Lb 長径
X 短軸
Y 長軸
Claims (6)
- 楕円形状の開口断面からなるチューブに挿入されて設置されるラジアントチューブバーナであり、且つガス噴射部が、2次燃焼用空気を噴射する2次燃焼用空気ノズルが中央部に配置され、上記2次燃焼用空気ノズルを囲むように、1次燃焼用空気を噴射する複数の1次燃焼用空気ノズルと燃料ガスを噴射する複数の燃料ガスノズルとが配置されたラジアントチューブバーナであって、
上記チューブの開口断面を、その開口断面形状である楕円の短軸を上記楕円の中心を中心として±45度傾けた2本の直線を境界として、仮想的に4つの領域に区画し、
仮想的に区画した上記4つの領域のうちの上記楕円の短軸を含む領域に位置する上記1次燃焼用空気ノズルから噴射される1次燃焼用空気の流量を、上記4つの領域のうちの上記楕円の短軸を含まない領域に位置する上記1次燃焼用空気ノズルから噴射される1次燃焼用空気の流量よりも少ないことを特徴とするラジアントチューブバーナ。 - 上記ガス噴射部は、上記2次燃焼用空気ノズル、上記複数の1次燃焼用空気ノズル、及び上記複数の燃料ガスノズルが形成されて上記チューブの中心軸と同軸に配置されたヘッダ部を備え、
上記ヘッダ部の外周に、外形が上記チューブの楕円形状と相似形の楕円形状のバックプレートが配置されている、
ことを特徴とする請求項1に記載したラジアントチューブバーナ。 - 上記楕円の短径をLa、該短径と直交する長径をLbとする場合、
全ての1次燃焼用空気ノズルから噴射される1次燃焼用空気の空気総量mxに対する、上記短軸を含む領域に位置する上記1次燃焼用空気ノズルから噴射される1次燃焼用空気の流量mtの比である流量比(mt/mx)を、La2/(La2 +Lb2)以上とすることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載したラジアントチューブバーナ。 - 1次燃焼用空気ノズルから噴射される1次燃焼用空気の流量の調整は、上記短軸を含む領域に位置する上記1次燃焼用空気ノズルの全開口断面積を、上記楕円の短軸を含まない領域に位置する上記1次燃焼用空気ノズルの全開口断面積よりも小さくすることで構成されることを特徴とする請求項1~請求項3のいずれか1項に記載したラジアントチューブバーナ。
- チューブの開口断面を楕円形状とすると共に、請求項1~請求項4のいずれか1項に記載のラジアントチューブバーナを有するラジアントチューブ。
- 楕円形状の開口断面からなるチューブに挿入されて設置されるラジアントチューブバーナであって、ガス噴射部が、2次燃焼用空気を噴射する2次燃焼用空気ノズルが中央部に配置され、上記2次燃焼用空気ノズルを囲むように、1次燃焼用空気を噴射する複数の1次燃焼用空気ノズルと燃料ガスを噴射する複数の燃料ガスノズルとが配置されたラジアントチューブバーナの設計方法であって、
上記チューブの開口断面を、その開口断面形状である楕円の短軸を上記楕円の中心を中心として±45度傾けた2本の直線を境界として、仮想的に4つの領域に区画し、
上記楕円の短径をLa、該短径に直交する長径をLbとする場合、
全ての1次燃焼用空気ノズルから噴射される1次燃焼用空気の空気総量mxに対する、上記短軸を含む領域に位置する上記1次燃焼用空気ノズルから噴射される1次燃焼用空気の流量mtの比である流量比(mt/mx)が、下記(1)式を満足するように、各1次燃焼用空気ノズルからの1次空気の吹き出し量を設定することを特徴とするラジアントチューブバーナの設計方法。
La2/(La2 +Lb2) ≦ (mt/mx) <0.5 ・・・(1)
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